陳瑞軍，王繼革，賈 志，田光輝

（天津地?zé)峥辈殚_發(fā)設(shè)計院，天津 300250）

地下深處地?zé)崃黧w受重力場、地溫場及地質(zhì)條件等多重因素的制約，存在對流循環(huán)［1～2］，與冷水不同，較為復(fù)雜。天津地區(qū)地?zé)嵘罹疃啻笥?000m，受地溫的影響，井中的水頭高度不能表征儲層動力場，必須進(jìn)行校正。以往多采用直線中值法進(jìn)行修正［1～3］，這些方法僅適合井筒中從液面至取水段中點(diǎn)的壓力校正。由于各個井儲層深度不同，這些方法還不能滿足對流體區(qū)域動力場的分析要求。對此，天津市國土局下達(dá)了《天津地區(qū)中低溫地?zé)豳Y源動態(tài)監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(2005年)，其中要求，各熱儲埋深需要根據(jù)熱儲層埋藏條件，確定統(tǒng)一計算深度。但依這一標(biāo)準(zhǔn)，分析流體動力場時，仍然存在著市區(qū)南部水位比北部高，這既不符合地下流體由東北向西南徑流的規(guī)律［4］，也不符合流體化學(xué)類型與溶解性總固體(TDS)分布規(guī)律［5］。本文研究、討論地溫場中的壓力性質(zhì)及其空間特征，在此基礎(chǔ)上，探索流體深部循環(huán)的規(guī)律，旨在為流體動力場的分析提供幫助，尋求觀測數(shù)據(jù)校正的方法。

1 數(shù)據(jù)處理方法

1.1 流體空間、勢壓

流體空間指相對獨(dú)立、空間各點(diǎn)壓力穩(wěn)定、具有一定幾何形狀的靜水流體系統(tǒng)。

勢壓(EP)是指在流體空間中，一定高度的空間點(diǎn)(Z0)承受的來自上方水柱的壓強(qiáng)換為密度為1kg/L的水柱高度與該點(diǎn)的高度相加，即:

式中:ρ(x)——x 深處流體密度(1kg/L)。

勢壓表征在Z0高度點(diǎn)的壓力，具有定高性質(zhì)，通過它可以對比流體空間中某一高度面上不同點(diǎn)的壓力，判斷流體質(zhì)點(diǎn)在此面上的流向。

1.2 熱動力壓(熱動力增量)

取兩個水桶，底部以無限長管聯(lián)通，底部M、N兩點(diǎn)置于同一水平面上，當(dāng)注水且液面穩(wěn)定時，兩點(diǎn)壓強(qiáng)相等，底部壓力梯度為零(圖1)，后關(guān)閉開關(guān)。關(guān)閉開關(guān)后，對一水桶進(jìn)行加熱，水桶液面上升，因水桶內(nèi)水的質(zhì)量不變，底部M點(diǎn)壓強(qiáng)不變，當(dāng)打開開關(guān)時，另一個水桶液面高度也不變，兩水桶間的水力梯度亦不變，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)平衡。當(dāng)水桶中形成穩(wěn)定溫度梯度(k)后，可見B點(diǎn)高出A點(diǎn)，且相差為H。

圖1 實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.1 Sketch illustration of experiment

在水桶中，任意一點(diǎn)x上的溫度Tx=TM－Khx(K為溫度梯度)，而溫度與密度(ρ)又是函數(shù)關(guān)系，則水桶質(zhì)量m=。設(shè)冷水的密度為1kg/L，則有:

上式表明:①熱水桶x點(diǎn)壓力增量等于底部hx高度水桶對M點(diǎn)壓力減量，將這增量－h(huán)2定義成熱動力增量(pr)；②M、N兩點(diǎn)壓力不變，等于冷水桶液面高，向上則是因熱膨脹而壓力增高，對于一個厚層的熱儲來講，儲層底部受重力單一場制約，向上則由重力場與熱動力場共同作用。

熱動力永遠(yuǎn)抵消著底層重力場的水力坡度，當(dāng)熱動力等于兩水桶間底層壓力差時，上部的流體將反向流動，其觀測水位埋深必小于冷水柱。由1式變換:

式(3)中Z0+h2是冷水柱的總高度。據(jù)此，勢壓與熱動力的關(guān)系是:流體空間中某一點(diǎn)的勢壓減該處空間冷水柱總高度等于該點(diǎn)熱動力壓。

1.3 井中液面增溫現(xiàn)象、線性溫度校正

多年地?zé)嵊^測證實(shí)，地?zé)峋好鏈囟缺韧簧疃鹊牡貙訙囟纫话愀?～28℃，這就是井中液面增溫現(xiàn)象。對此目前研究的很少，本文對此進(jìn)行直線校正，修正值(ΔTx)為:

式中:a、b——液面溫度、初始地層溫度(℃)；

c、d——儲層深度(m)、計算點(diǎn)深度(m)；

x——計算點(diǎn)深度(m)。

經(jīng)校正后x點(diǎn)的溫度(Tx)由下式確定:

式中:T0——液面深度地溫(℃)；

K——地溫梯度(℃ /m)。

1.4 密度與溫度的關(guān)系式及相關(guān)校正

對5～300℃(每隔5℃一個密度數(shù)值)59個水密度值與溫度進(jìn)行線性回歸，得下式:

ρ(t)為密度與溫度的擬合函數(shù)(s=0.00014069，r=0.99999876)；a、b、c、d、e 分別為 － 2.994748 ×10－11、1.6747203 × 10－8、 － 5.5004462 × 10－6、－7.6806348×10－6和1.0002232。在不考慮流體壓縮的條件下，通過該函數(shù)計算值與實(shí)測值比較，誤差僅為0.01%～0.02%。如果考慮水的壓縮系數(shù)隨溫度變化較小，其ρ(t)近似為:

上式中4.74×10－6為水的壓縮系數(shù)［1］。如果區(qū)域內(nèi)不同層、不同點(diǎn)間流體TDS相差大于1g/L時(因?yàn)門DS差1g/L，1000m就會差1m水柱壓力，如天津地區(qū)霧迷山組南部與北部地?zé)崃黧wTDS相差3g/L，其儲層埋深多在3000m以深，南部與北部水柱壓力因TDS變化相差為9m)，分析流體動力場，TDS是不能忽略的，其ρ(t)近似為:

1.5 計算過程與井間梯度勢壓修正

依地質(zhì)條件、觀測數(shù)據(jù)特點(diǎn)及觀測井的情況，確定分析區(qū)最大深度井或儲層埋深最大的地點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)各空間點(diǎn)勢壓的對比及計算方向；確定各個井的積分限；因重力壓分布在儲層底部，代表深部流體的來源與方向，所以要積分到儲層底后再向最深井處積分，直積到最深井的儲層層底(圖2)。

在上述計算后可得到淺井至深井儲層底的勢壓，和深井到儲層底的勢壓，二者的大小不一致，借此可以判斷底層流體來源方向。但是，這兩個來源方向的壓力差并不是集中在這一點(diǎn)上的。從圖2b可以看出，C點(diǎn)向深點(diǎn)(t溫度)積分值等效于C點(diǎn)向淺點(diǎn)(t溫度)的積分值，兩井的壓力差，應(yīng)該是右圖中“淺”與“深”之間的差值，在水力聯(lián)通的條件下這一差值將梯度分布。由于來自兩方向的總壓均為底層壓力，其數(shù)值應(yīng)小于對應(yīng)深的勢壓(如C點(diǎn))，故用C點(diǎn)勢壓加一個直線修正值就達(dá)到了目的，其關(guān)系式:式中:EP梯度X——X點(diǎn)深度井間儲層底勢壓(m)；

EPX——X 深度勢壓(m)；

EP淺底－ EP深底——最深點(diǎn)處的勢壓差(m)；

圖2 積分分段(a)及井間壓力校正(b)示意圖Fig.2 Schematic diagram of credits segments(a)and interwell pressure correction(b)

S淺底－ S深底——兩井中儲層底界深度差(m)；

Sx——X點(diǎn)與淺井底層垂直距離(m)。

2 市區(qū)五井勢壓與熱動力壓計算及流場分析

天津市開發(fā)的霧迷山組熱儲層，主要分布于滄縣隆起上［7］。經(jīng)多年地?zé)岬刭|(zhì)勘查，熱儲層頂界埋深為1000 ～3693m［8］，厚度為 2000m 左右［9］，屬靜水壓力系統(tǒng)。依此數(shù)據(jù)對 HD－09、HX－09、HD－11、XQ－07、DL－24等地?zé)峋?006年9月的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析。

2.1 熱動力壓計算結(jié)果

一般在儲層層底靜水壓力相近時，熱動力越大，水位埋深越小。前述五井的熱動力壓的計算結(jié)果依其順序 為 111.20m、148.27m、127.16m、129.45m 和126.99m冷水柱高(密度為1000kg/m3)。這表明，在HD－09井中，熱動力壓最低，從而導(dǎo)致水位觀測值低、埋深較大；而HX－09井溫度最高，導(dǎo)致了該處水位觀測值高、埋深較小，形成反漏斗，在2007年，市區(qū)開采量增加，使得反漏斗南移至大寺一帶［3，6］。

2.2 勢壓的比較

4個井向HD－09井積分求壓，依前述順序結(jié)果是 4490.95m、4457.89m、4463.19m、4478.36m 和4477.47m，顯示出HD－09處霧迷山組儲層底部流體勢壓最高，存在向其余4井區(qū)底部補(bǔ)給的動力條件。

2.3 等高等勢壓、等勢面

相鄰井流體液面高度、地溫梯度的不同，可以導(dǎo)致壓力曲線相交，相交點(diǎn)稱為等高等勢壓點(diǎn)(圖3)。若某一深度兩井勢壓相等時，除代表這一深度上、下流體的流向相反外，也并不意味著在這一高度上，兩井間沒有流體的流入與流出，只能代表這兩點(diǎn)流體不交換，而流入流出則取決于某點(diǎn)(兩井中的一個)內(nèi)、外的壓力差。既然流向相反，必然存在一個等勢面，也就是當(dāng)流體向兩點(diǎn)之間流動時，其等勢面是下凹的，當(dāng)由兩點(diǎn)之間向外流動時，等勢面是上凸的。等勢面的下凹，是流體通過其它途徑排泄的結(jié)果，如果在地質(zhì)上不存在排泄通道，則是開采地下流體所致，從而形成勢壓降落漏斗；等勢面的上凸，是由地?zé)峄毓嗷驘釀恿λ?，如果不存在地?zé)峄毓?，兩點(diǎn)間必然存在地?zé)嵴惓?。?jīng)計算分析得知:在HD－09與DL－24、HD－11與HD－09、HX－09與HD－11井間，形成勢壓降落漏斗(圖4)，他們之間均有開采井分布；地?zé)崃黧w自DL－24井向XQ－07、HD－09兩個方向補(bǔ)給(圖4剖面B)，表明該井處等勢面是上凸的，與東面的山嶺子地?zé)岙惓Ｏ嚓P(guān)；在XQ－07與HX－09間形成的勢壓升高反漏斗，與王蘭莊地?zé)狳c(diǎn)相關(guān)。

圖3 勢壓曲線圖Fig.3 Overwhelm graph of potential pressures

2.4 補(bǔ)給源分析

2.4.1 地質(zhì)－水熱動力屏障

受儲層產(chǎn)狀、勢壓、地?zé)岙惓５纫蛩氐木C合影響，地?zé)崃黧w徑流受限(過流斷面變小)或完全阻礙，稱為“地質(zhì)－水熱屏障”。從圖4A剖面看出，3200m深的熱流體自HD－09向王蘭莊地?zé)狳c(diǎn)(地?zé)岙惓＃?0］)徑流，而3200m以淺向相反的方向徑流，這是由于南部受王蘭莊地?zé)岙惓５挠绊懀瑴\部流體勢壓增高，從而導(dǎo)致了流體向南徑流的過水?dāng)嗝孀冃?注意斷面不是全層)，至HX－09井處，儲層變淺，又使斷面進(jìn)一步變小，影響了流體自HD－09井向南徑流，構(gòu)成了地質(zhì)－水熱屏障。

圖4 地?zé)崃黧w流線流向剖面圖Fig.4 Schematic representation showing the flow line and flow direction of geothermal fluid

2.4.2 霧迷山組儲層流體動力場與補(bǔ)、排方向

用5個井計算數(shù)據(jù)繪成儲層流體流向圖(圖4)。從剖面A中可以看出，在3200m以深地?zé)崃黧w自北向南徑流，體現(xiàn)了地?zé)崃黧w以深部徑流的特征規(guī)律。由于研究區(qū)西部的天津斷裂為阻水?dāng)嗔眩?］，故用代表NE向4個井及ES向1個井計算3400m深勢壓數(shù)據(jù)，繪成勢壓等值線圖(圖5)以概略全貌。從圖中可以看出:DL－24井附近儲層流體或從淺部、或深部向其余4井儲層徑流；HD－09井附近地?zé)崃黧w可以通過該熱儲層的下部，流向XQ－07井北部，雖然HX－09井附近的地質(zhì)－水熱屏障限制了徑流?？傊喜康?zé)崃黧w主要來自于北部和東部，在HD－09井處，儲層下部勢壓高于DL－24井勢壓，向DL－24井儲層補(bǔ)給，然后在山嶺子地?zé)岙惓^(qū)加熱形成淺部高勢位，再流向其它地方。

2.5 深部流體動力場與流體TDS分布關(guān)系

一般，隨熱流的徑流，流體TDS呈上升規(guī)律。收集流體化學(xué)數(shù)據(jù)［8］并將它繪制到圖5中。結(jié)果顯示:1.8g/L、2.0g/L TDS等值線，在西部偏向北，在東部偏向南；2.0 g/L TDS等值線在西部基本與HX－09井地質(zhì)－水熱屏障位置相當(dāng)，分析是受地質(zhì)－水熱屏障的影響，流體循環(huán)差，引起了TDS的升高，同樣?xùn)|部2.0 g/L TDS等值線偏向南，是這沒有地質(zhì)－水熱屏障，流體循環(huán)相對較好所致。表明這一特征與地?zé)崃黧w動力場特征相關(guān)，計算結(jié)果能夠解譯流體TDS的分布，但值得注意的是HX－09井，儲層流體TDS相對低，可能是地溫較高，熱動力較強(qiáng)、且在地質(zhì)－水熱屏障邊緣，接受來自DL－24井附近同層的低TDS流體的補(bǔ)給所致。

圖5 2006年霧迷山組熱儲層3400m深度流體溶解性總固體及勢壓等值線圖Fig.5 Contour map showing the fluid mineralization and overwhelm of the Jxw geothermal reservoir of 3400m deep in 2006

2.6 地溫場、流體動力場

地溫對儲層勢壓的影響是通過熱動力壓向上積累發(fā)生的。天津地區(qū)霧迷山組厚度巨大，達(dá)2000m以上，這為熱動力壓向上積累提供了條件。據(jù)上述剖面，選取5個井之中霧迷山組頂界最深的，即2700m深的溫度和勢壓數(shù)據(jù)，繪制成儲層溫度與勢壓等值線圖(圖6)。

圖6 2006年霧迷山組熱儲層2700m深度流體溫度與勢壓等值線圖Fig.6 Contour map showing the fluid temperature and overwhelm of the Jxw geothermal reservoir of 2700m deep in 2006

在圖6中，存在一個低勢壓區(qū)和一個高溫區(qū)，兩個區(qū)幾乎重疊。從圖5中可以看出，HD－09與XQ－07底層勢壓差僅為5.95m，底層水力坡度平緩。一般在平緩的坡度面上疊加熱勢場，在儲層頂部會形成一個熱動力壓異常。經(jīng)計算，在2700m深處，HX－09井熱動力壓高于XQ－07井熱動力壓7.26m，

即HX－09井處熱勢壓應(yīng)為455.43加上7.26m的值，而據(jù)觀測值計算結(jié)果的值為45.39m(圖6)，引起壓力的降低只有一種解釋，就是人為開采所致。圖6中，在4540等勢壓線所圈出的區(qū)域內(nèi)，有30眼霧迷山組開采井，占研究區(qū)域內(nèi)該儲層井?dāng)?shù)56.6%，這既說明勢壓的降低與開采相關(guān)，也說明由該種計算方法得到的數(shù)據(jù)，所圈定的勢壓降落漏斗與實(shí)際相吻合，比按原計算數(shù)據(jù)繪制出的圖更符合實(shí)際。

比較圖5、6中的勢壓值，不難看出，不同深度的勢壓離散不同，即圖5較大，圖6較小。經(jīng)計算，圖5中5井的方差值為9.9795，圖6中5井的為8.8441。分析其原因，圖5是3400m深度勢壓等值線圖，可以近似代表儲層底層勢壓分布，一般底部勢壓主要受重力場控制，制約因素單一；圖6是2700m深度勢壓等值線圖，代表儲層上部勢壓分布，儲層上部勢壓，受重力場與熱動力場共同控制。由于開采降低了儲層壓力，本區(qū)也是地溫相對高的地區(qū)，熱動力壓制約了一部分上部的壓力降低。這表明用儲層上部勢壓來表征儲層底部是不行的，只有儲層底部勢壓，才能反映出真正的流體的來源方向。在天津市，一般開鑿地?zé)峋?，鉆進(jìn)儲層200～300m即終孔，對此獲得的勢壓，也是上部的，依此繪制的勢壓等值線圖是不能表征流體動力場的，這一點(diǎn)應(yīng)予以注意。

3 結(jié)論

(1)流體空間中某點(diǎn)勢壓，僅能表征該點(diǎn)處的壓力。通過空間中某一高度面上不同點(diǎn)的勢壓對比，可以判斷流體在該面上的流向，但不能判斷垂向流向。空間某點(diǎn)熱動力壓等于該點(diǎn)的勢壓減該處的空間冷水柱總高度，具有向上積累的特征，成為地?zé)峄毓嘧枇Φ囊徊糠?；由于向上積累，逐漸抵消層底水力坡度，乃至上部水力坡度與下部方向不同，使流體運(yùn)行方向與下部不同，從而形成對流場。

(2)熱動力壓源于某空間點(diǎn)下部的流體密度變化引起的壓力變小部分疊加到點(diǎn)上部產(chǎn)生的。因此，只要流體空間溫度場不變，這一壓力也不變，即熱動力的不變性。

(3)對市區(qū)及附近五個井熱動力計算結(jié)果為，HX－09井熱動力壓最大，為148.27m，這一數(shù)值揭示了其所在區(qū)域在2006年形成液面反漏斗的原因；對勢壓計算的結(jié)果為，HD－09井?dāng)?shù)值最大，存在霧迷山儲層底部流體自該井處向其它區(qū)域補(bǔ)給的動力條件。

(4)在流體空間中，存在等高等勢壓、等勢面，他們是勢壓降落漏斗、反漏斗的控制因素，這與地?zé)岙惓：偷責(zé)崃黧w開采相關(guān)。

(5)HX－09井西部地質(zhì)－地?zé)崞琳舷拗屏藘拥撞苛黧w向南補(bǔ)給。受這一屏障的影響，西部流體循環(huán)相對較差，引起了TDS升高。天津市區(qū)對霧迷山組熱儲開發(fā)，主要集中于儲層上部，影響了上部動力場，在2700m深勢壓繪制的等勢壓線圖中，低勢壓區(qū)與集中開采區(qū)分布一致，說明采用此數(shù)據(jù)處理方法更合理。

(6)在流體空間中，存在流體深、淺循環(huán)，上部與下部流向可不同，在地?zé)岜O(jiān)測中應(yīng)加強(qiáng)這方面的觀測。

(7)霧迷山組是油氣成藏與地?zé)岢蓛χ髁游唬嬖谏畈苛黧w循環(huán)。天津靜海開鑿的JH－01、JH－08井均揭露了霧迷山組一、二段地層200～400m，單井出水量為100～180m3/h。這些表明該組下部是流體的儲滲空間，應(yīng)逐步加大霧迷山組下段地?zé)豳Y源的勘查工作。

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